(57)【要約】本発明は、高濃度ドープされたエピタキシャル膜の表面粗さを改善し、ソース／ドレイン層の電極とのコンタクト抵抗を低くしてデバイス特性を向上させる。本発明の一実施形態では、少なくとも単結晶表面と誘電体表面をもつ基板の処理面を原料ガスとドーピングガスを含む第一の成膜ガスに曝露し、単結晶表面にドープされた第一の薄膜を形成すると共に、誘電体表面が成膜される前に第一の成膜ガスの供給を停止する（Ｓ２）。次いで、基板の処理面を原料ガスとドーピングガスを含む第二の成膜ガスに曝露し、単結晶表面に第一の薄膜よりも低くドープされた第二の薄膜を形成すると共に、誘電体表面が成膜される前に第二の成膜ガスの供給を停止する（Ｓ３）。次いで、基板の処理面を塩素含有ガスに曝露してエッチングを行う（Ｓ４）。このようにして、第二の薄膜のドーパント含有濃度を第一の薄膜のドーパント含有濃度よりも低くする。
2011078240.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理面に単結晶表面と誘電体表面とをもつ基板の前記単結晶表面に、ドーパントがドープされた第一の薄膜をエピタキシャル成長により形成する第一の工程と、
前記第一の薄膜の表面に、前記第一の薄膜より低い濃度で前記ドーパントがドープされた第二の薄膜をエピタキシャル成長により形成する第二の工程と、
前記基板の処理面をエッチングガスに曝露して前記誘電体表面に付着した材料を除去するエッチング工程と
を有することを特徴とするドープエピタキシャル膜の選択成長方法。
【請求項２】
前記第一の工程は、前記基板の処理面を原料ガスと第一の流量比率のドーピングガスに曝露し、前記単結晶表面に前記第一の薄膜を形成し、
前記第二の工程は、前記基板の処理面を原料ガスと第二の流量比率のドーピングガスに曝露し、前記第一の薄膜の表面に前記第二の薄膜を形成することを特徴とする請求項１に記載のドープエピタキシャル膜の選択成長方法。
【請求項３】
前記第一の工程では、前記誘電体表面に膜が形成される前に前記第一の薄膜の形成を停止することを特徴とする請求項１に記載のドープエピタキシャル膜の選択成長方法。
【請求項４】
前記第二の流量比率は、前記第一の流量比率よりも少ないか、又はゼロであることを特徴とする、請求項１に記載のドープエピタキシャル膜の選択成長方法。
【請求項５】
前記第二の工程において、前記ドーピングガスの意図的な供給を行なわないことを特徴とする請求項２に記載のドープエピタキシャル膜の選択成長方法。
【請求項６】
前記単結晶がシリコン（Ｓｉ（１００））であり、前記誘電体がシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜であることを特徴とする請求項１に記載のドープエピタキシャル膜の選択成長方法。
【請求項７】
前記第一及び第二の薄膜を形成する原料ガスがＳｉ含有ガスであり、前記ドーパントがリン（Ｐ）であり、前記ドーピングガスがリン（Ｐ）含有ガスであることを特徴とする請求項２に記載のドープエピタキシャル膜の選択成長方法。
【請求項８】
前記第一の薄膜の前記ドーパントの含有濃度が５×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3を超え、前記第二の薄膜の前記ドーパントの含有濃度が１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であることを特徴とする請求項７に記載のドープエピタキシャル膜の選択成長方法。
【請求項９】
前記第一の工程および前記第二の工程における前記原料ガスおよび前記ドーピングガスの導入時の前記基板が配置されるチャンバ内の圧力は、０．０１Ｐａ以上１０Ｐａ未満であることを特徴とする請求項２に記載のドープエピタキシャル膜の選択成長方法。
【請求項１０】
前記第一の工程、前記第二の工程、及び前記エッチング工程を一連の工程として複数回連続して行うことを特徴とする請求項１に記載のドープエピタキシャル膜の選択成長方法。
【請求項１１】
真空排気可能なチャンバと、
前記チャンバ内に設けられ、少なくとも単結晶表面と誘電体表面とをもつ基板を保持可能な基板ホルダと、
原子層薄膜制御が可能な複数のガスバルブを有し、前記チャンバ内に原料ガス、ドーパントを含むドーピングガス、およびエッチングガスを流量制御して導入するガスバルブ流量制御系と、
前記ガスバルブ流量制御系を制御する制御装置と
を備え、
前記制御装置は、
前記基板の処理面を前記原料ガスおよび前記ドーピングガスに曝露し、前記単結晶表面に前記ドーパントがドープされた第一の薄膜を形成するように、前記チャンバ内に前記原料ガスと前記ドーピングガスとを含む第一の成膜ガスを導入する第一の導入、
前記基板の処理面を少なくとも前記原料ガスに曝露し、前記第一の薄膜の表面に前記第一の薄膜よりも低濃度に前記ドーパントがドープされた第二の薄膜を形成するように、前記チャンバ内に少なくとも前記原料ガスを含む第二の成膜ガスを導入する第二の導入、および、
前記基板の処理面を前記エッチングガスに曝露してエッチングするように、前記チャンバ内に前記エッチングガスを導入する第三の導入
を順に実行するように前記ガスバルブ導入系を制御することを特徴とするドープエピタキシャル膜の選択成長装置。
【請求項１２】
前記制御装置は、前記第一、第二及び第三の導入工程を一連の工程として複数回連続して実行するように前記ガスバルブ導入系を制御することを特徴とする請求項１１に記載のドープエピタキシャル膜の選択成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エピタキシャル膜の成長中にドーピングを行うＩｎ−Ｓｉｔｕドープエピタキシャル膜の選択成長方法及びドープエピタキシャル膜の選択成長装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの高密度化及び高集積化に伴い、ゲート長が短くなっている。特にＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）では、ゲート長が短くなると「短チャネル効果」と呼ばれる電気的特性の劣化が起こり、リーク電流が増加するなどの問題が発生する。この問題を解決する技術として、チャネル部のエピタキシャル層に応力を掛けて格子を歪ませることにより移動度を改善する方法や、ソース／ドレイン層を極薄に形成する方法が提案されている。【０００３】
チャネル部のエピタキシャル層に歪を加える方法では、ソース／ドレイン層にＳｉと格子定数が異なる材料を加えることが有効である。例えば、ｎ型ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）では、Ｓｉよりも格子定数が小さいＣ等を混ぜたＳｉＣを用いてチャネル層に引っ張り歪を加えて移動度を改善する。またｐ型ＭＯＳＦＥＴでは、Ｓｉよりも格子定数が大きいＧｅ等を混ぜたＳｉＧｅを用いてチャネル層に圧縮歪を加えて移動度を改善する。また、ソース／ドレイン層と電極は低抵抗で電気的に接続しなければならず、Ｂ（ホウ素）、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）等のドーピングを行うことが必須である。ソース／ドレイン層のドーピングには、通常、イオン注入が用いられるが、ドーピング後にキャリアを発生させるためには高温での活性化アニールが必須である。【０００４】
図１３Ａ〜１３Ｇを用いて、従来のソース／ドレイン層の形成方法を説明する。図１３Ａにおいて、Ｓｉ基板５１上にゲート絶縁膜５２を挟んでゲート電極５３が設置され、ゲート電極５３の両側にはシリコン酸化膜のサイドウォール５４が形成されている。図示を省略するが、これらゲート電極５３、ゲート絶縁膜５２、サイドウォール５４は、素子分離領域５５を挟んでＳｉ基板５１上に多数設けられている。【０００５】
従来の方法により、ステップＳ１３１において、図１３Ａのような構造のパターンを多数形成したＳｉ基板を用意する。【０００６】
次に、ステップＳ１３１において、図１３Ａの構造についてリセスエッチを行ない、シリコン面を掘り下げる。即ち、異方性エッチングと等方性エッチングを組み合わせてＳｉ基板５１の露出したシリコン面をエッチングし、図１３Ｂのような形状に加工する。【０００７】
次に、ステップＳ１３２において、リセスエッチ工程で荒れたＳｉ面をケミカルドライエッチング（ＣＤＥ；Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｄｒｙ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）等によるライトエッチでダメージ層Ｄを除去し、図１３Ｃの状態とする。【０００８】
ステップＳ１３３において、図１３Ｃに示すダメージ層を除去された基板に対して、従来の選択成長技術を用いて、ＳｉＧｅやＳｉＣ等のＳｉ含有膜をＳｉ面のみにエピタキシャル成長させ選択成長層５７を形成し、図１３Ｄの状態にする。このとき、シリコン酸化膜等の誘電体膜で形成されている素子分離領域５５、サイドウォール５４、ゲート絶縁膜５２の上にはＳｉＧｅやＳｉＣ等のＳｉ含有膜は形成されず、露出したＳｉ面にのみエピタキシャル成長させる必要がある。【０００９】
この場合に用いられる選択成長技術としては、例えば、Ｓｉ2Ｈ6（ジシラン）とＣｌ2（塩素）ガスを用いて、Ｓｉの成長とＣｌ2ガスによるエッチングを交互に行うＳｉエピタキシャル膜の選択成長技術が用いられる（特許文献１参照）。ＳｉＣを成長したい場合には、成膜時にＣ含有ガスを添加することで、ＳｉＣをＳｉ面にのみエピタキシャル選択成長することができる。また、ＳｉＧｅを成長したい場合には、Ｓｉ2Ｈ6（ジシラン）とともにＧｅＨ4等のＧｅ含有ガスを添加することで、ＳｉＧｅ膜をＳｉ面にのみエピタキシャル選択成長をすることができる。【００１０】
さらに、ステップＳ１３４において、ｎ型ＭＯＳＦＥＴの場合はＰやＡｓ等を、またｐ型ＭＯＳＦＥＴの場合にはＢをイオン注入する（図１３Ｅ）。しかしながら、イオン注入しただけではまだ活性化していないので、ステップＳ１３５において、活性化アニールを行い、ソース／ドレイン層５９を完成させる（図１３Ｆ）。【００１１】
図１３Ａ〜１３Ｇのようなイオン注入を用いる従来のソース／ドレイン層の形成方法では、低抵抗であるため高濃度にドーピングしても充分に活性化されないという問題がある。また、活性化アニールによりソース／ドレイン層が再結晶化し歪量の制御が難しく、表面粗れが発生するという問題がある。さらに、活性化アニールを行った場合、注入したドーパントの熱拡散により、極薄のソース／ドレイン層を形成できないという問題がある。【００１２】
そこで図１４Ａ〜１４Ｅに示すように、イオン注入を用いず、成膜中にドーピングガスも同時照射し、ソース／ドレイン層を選択成長することが解決策の一つとして考えられる。この技術をＩｎ−Ｓｉｔｕドーピングと呼ぶ。図１４Ａ〜１４ＥのＩｎ−Ｓｉｔｕドーピング選択成長を用いたソース／ドレイン層の形成方法について説明する。図１４Ａは、図１３Ａと同じ構造体の模式図である。ステップＳ１４１において図１４Ｂに示すリセスエッチを経て、ステップＳ１４２において図１４Ｃのライトエッチによるダメージ層除去までは、工程Ｓ１３１〜Ｓ１３２（図１３Ａ〜１３Ｃ）までと同じである。次のステップＳ１４３における選択成長工程で、成膜ガスにドーパントガスを入れ、Ｉｎ−Ｓｉｔｕドーピングを行なうことで、Ｉｎ−ｓｉｔｕドーピング選択成長によって形成されたソース／ドレイン層５６を形成する（図１４Ｄ）。【００１３】
図１４Ａ〜１４ＥのＩｎ−ｓｉｔｕドープ選択成長によるソース／ドレイン層の形成方法を図１３Ａ〜図１３Ｇの形成方法と比較すると、Ｉｎ−ｓｉｔｕドープによる選択成長方法では、図１３Ｅに対応するステップＳ１３４及び図１３Ｆに対応するステップＳ１３５の２つの工程を省略でき、不純物吸着の抑制、処理時間の短縮も可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特公平７−１５８８８号公報
【発明の概要】
【００１５】
ところで、従来のＩｎ−ｓｉｔｕドープ選択成長によるソース／ドレイン層の形成方法は、特に高濃度にＰを添加するものは実用化が難しかった。また、特許文献１のＳｉ2Ｈ6とＣｌ2ガスを用いてＳｉの成長とＣｌ2ガスによるエッチングを交互に行うＳｉエピタキシャル膜の選択成長技術においても、高濃度にＰをドーピングする場合については言及されていない。
【００１６】
この技術において成膜時に同時にＰをドーピングする場合、単純にドーピングガスとしてＰＨ3（ホスフィン）を供給すると、選択成長したＳｉ含有膜の表面の平坦性が劣化する。即ち、Ｓｉ2Ｈ6等のＳｉ含有ガスとＩｎ−ＳｉｔｕドーピングのためのＰＨ3を同時供給し、Ｃｌ2等のハロゲンガスでエッチングする選択成長を行うと、高濃度のＰがドーピングされたエピタキシャル膜の表面粗れが発生する。表面粗れが発生すると、チャネル部のゲート絶縁膜の特性の劣化、即ちソース／ドレイン部の電極とのコンタクト抵抗が高くなりデバイス特性が劣化するという問題がある。
【００１７】
本発明は、高濃度ドープされたエピタキシャル膜の表面粗さを改善し、ソース／ドレイン層の電極とのコンタクト抵抗を低くしてデバイス特性を向上できるＩｎ−Ｓｉｔｕドープエピタキシャル膜の選択成長方法及びドープエピタキシャル膜の選択成長装置を提供することを目的とする。
【００１８】
上記の目的を達成すべく成された本発明の一態様に係る構成は以下の通りである。
【００１９】
即ち、本発明に係るＩｎ−Ｓｉｔｕドープエピタキシャル膜の選択成長方法は、処理面に単結晶表面と誘電体表面とをもつ基板の前記単結晶表面に、ドーパントがドープされた第一の薄膜をエピタキシャル成長により形成する第一の工程と、前記第一の薄膜の表面に、前記第一の薄膜より低い濃度で前記ドーパントがドープされた第二の薄膜をエピタキシャル成長により形成する第二の工程と、前記基板の処理面をエッチングガスに曝露して前記誘電体表面に付着した材料を除去するエッチング工程とを有することを特徴とする。
【００２０】
また、本発明に係るＩｎ−Ｓｉｔｕドープエピタキシャル膜の選択成長装置は、真空排気可能なチャンバと、前記チャンバ内に設けられ、少なくとも単結晶表面と誘電体表面とをもつ基板を保持可能な基板ホルダと、原子層薄膜制御が可能な複数のガスバルブを有し、前記チャンバ内に原料ガス、ドーパントを含むドーピングガス、およびエッチングガスを流量制御して導入するガスバルブ流量制御系と、前記ガスバルブ流量制御系を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記基板の処理面を前記原料ガスおよび前記ドーピングガスに曝露し、前記単結晶表面に前記ドーパントがドープされた第一の薄膜を形成するように、前記チャンバ内に前記原料ガスと前記ドーピングガスとを含む第一の成膜ガスを導入する第一の導入、前記基板の処理面を少なくとも前記原料ガスに曝露し、前記第一の薄膜の表面に前記第一の薄膜よりも低濃度に前記ドーパントがドープされた第二の薄膜を形成するように、前記チャンバ内に少なくとも前記原料ガスを含む第二の成膜ガスを導入する第二の導入、および、前記基板の処理面を前記エッチングガスに曝露してエッチングするように、前記チャンバ内に前記エッチングガスを導入する第三の導入を順に実行するように前記ガスバルブ導入系を制御することを特徴とする。
【００２１】
本発明によれば、Ｉｎ−ｓｉｔｕドープエピタキシャル膜の選択成長において、高濃度ドープされた第一の薄膜の形成後に低濃度ドープで成長した第二の薄膜を形成し、その後塩素含有ガスを照射してエッチングする。この低濃度ドープの第二の薄膜については、塩素含有ガスのエッチングによる表面粗れが生じない、ないしは該表面粗れが低減されている。したがって、高濃度ドープされたエピタキシャル膜の表面粗さを改善し、ソース／ドレイン層の電極とのコンタクト抵抗を低くしてもデバイス特性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係るマルチチャンバＣＶＤ装置の平面模式図である。
【図２】図１のＣＶＤ装置における成膜室の断面模式図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るガスバルブ流量制御系の概略図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るＩｎ−ｓｉｔｕドープエピタキシャル膜の選択成長方法を示すフローチャートである。
【図５】本発明の一実施形態に係る選択成長方法を用いた場合の成長速度とパターン開口面積の関係を示す説明図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る選択成長方法を用いた場合の各エピタキシャル膜のガス流量比率とカーボン濃度の関係を示す説明図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る選択成長方法を用いた場合の各エピタキシャル膜のガス流量比率とＰ濃度の関係を示す説明図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る選択成長方法の説明図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る各導入ガスのタイムチャートの一部を示す説明図である。
【図１０Ａ】本発明の一実施形態に係るＩｎ−ｓｉｔｕＰドープＳｉＣヘテロエピタキシャル膜の断面のＳＥＭ写真を示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａに示すＩｎ−ｓｉｔｕＰドープＳｉＣヘテロエピタキシャル膜の表面のＳＥＭ写真を示す図である。
【図１１】本発明の比較例に係る選択成長方法の説明図である。
【図１２Ａ】本発明の比較例におけるＩｎ−ｓｉｔｕＰドープＳｉＣエピタキシャル膜の断面のＳＥＭ写真を示す図である。
【図１２Ｂ】図１２Ａに示すＩｎ−ｓｉｔｕＰドープＳｉＣヘテロエピタキシャル膜の表面のＳＥＭ写真を示す図である。
【図１３Ａ】従来のソース／ドレイン形成プロセスの説明図である。
【図１３Ｂ】従来のソース／ドレイン形成プロセスの説明図である。
【図１３Ｃ】従来のソース／ドレイン形成プロセスの説明図である。
【図１３Ｄ】従来のソース／ドレイン形成プロセスの説明図である。
【図１３Ｅ】従来のソース／ドレイン形成プロセスの説明図である。
【図１３Ｆ】従来のソース／ドレイン形成プロセスの説明図である。
【図１３Ｇ】従来のソース／ドレイン形成プロセスの手順を示すフローチャートである。
【図１４Ａ】従来のＩｎ−ｓｉｔｕドーピングによるソース／ドレイン形成プロセスの説明図である。
【図１４Ｂ】従来のＩｎ−ｓｉｔｕドーピングによるソース／ドレイン形成プロセスの説明図である。
【図１４Ｃ】従来のＩｎ−ｓｉｔｕドーピングによるソース／ドレイン形成プロセスの説明図である。
【図１４Ｄ】従来のＩｎ−ｓｉｔｕドーピングによるソース／ドレイン形成プロセスの説明図である。
【図１４Ｅ】従来のＩｎ−ｓｉｔｕドーピングによるソース／ドレイン形成プロセスの手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明の一実施の形態を説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
【００２４】
まず、図１から図３を参照して、本発明に係るＩｎ−Ｓｉｔｕドープエピタキシャル膜の選択成長方法を実施する装置について説明する。図１は、マルチチャンバＣＶＤ装置の平面模式図である。図２は、図１のＣＶＤ装置における成膜室の断面模式図である。図３は、ガスバルブ流量制御系の概略図である。
【００２５】
図１及び図２に示すように、本実施形態に係るエピタキシャル膜の選択成長装置は、例えば、化学蒸着（ＣＶＤ；Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置によって構成される。このＣＶＤ装置は、基板４１（図２参照）を外部の大気環境と内部の真空環境との間で出し入れするための２つの交換室１１，１２と、真空環境内で基板４１を搬送する搬送機構１３を備える搬送室１４と、シリコン（Ｓｉ）のエピタキシャル膜を成膜する２つの成膜室１５，１６と、を備えている。
【００２６】
基板４１としては、例えば、表面に酸化膜がパターニングされた８インチのＳｉ（１００）基板が用いられる。基板４１の大きさは特に制限はない。
【００２７】
交換室１１，１２には、例えば、上記８インチの基板４１を複数枚収容することができる。交換室１１，１２と搬送室１４との間、搬送室１４と２つの成膜室１５，１６との間には、それぞれゲートバルブ１７が介設されている。各室１１，１２，１４〜１６は、独立した排気手段（ここでは、ターボ分子ポンプ）で排気される。
【００２８】
図２に示すように、成膜室１５は真空排気可能なチャンバ２１によって区画形成されている。即ち、チャンバ２１の内部は、排気ポート３５を通してプロセス室排気用ターボ分子ポンプ３２と、その後段ポンプであるプロセス室排気用ドライポンプ３４とにより排気される。成膜室１５のチャンバ２１の外壁には、成膜室１５を加熱する加熱用チャンバーヒータ（図示せず）が設けられている。チャンバーヒータは、メンテナンス等の大気暴露後に成膜室１５を加熱することによって、チャンバ壁に吸着した水分を脱離させる。成膜室１５の内部は、例えば、５×１０-7Ｐａ以下の超高真空まで排気される。また、チャンバ２１の外壁には冷却用冷媒が循環できるパイプ（図示せず）が設けられており、成膜プロセス中はこの循環パイプ内に冷却用の水を循環させ、チャンバ２１の温度を室温程度に保つようになっている。
【００２９】
チャンバ２１内に設けられたサセプタ（基板ホルダ）２２には、処理対象である基板４１が配置される。サセプタ２２の内部は独立して排気され、プロセスガスが導入される成膜空間とは繋がっていない。サセプタ２２の内部は、ヒータ室排気用ターボ分子ポンプ３１とその後段ポンプであるヒータ室排気用ドライポンプ３３と、により排気される。サセプタ２２の内部には、加熱制御系としての基板加熱用のヒータ２３が設けられる。ヒータ２３には図示しない給電機構によって加熱用電力が供給される。サセプタ２２の温度状態は熱電対２４で検出され、ヒータ２３の加熱用電力を制御することにより、サセプタ２２が所要の温度に制御される。
【００３０】
成膜室１５の外側には放射温度計（パイロメータ）２７が装備され、これによってサセプタ２２上に搭載された基板４１の温度が測定される。基板４１は、サセプタ２２上でデバイス形成面（処理面）を上側にして配置される。サセプタ２２には、例えば直径７ｍｍの穴が３点開いており、これを通して、例えば、石英製のリフトピン２５がこれに接続されたリフトピン上下機構２６によって上下動し、基板４１を搬送機構１３からサセプタ２２上に載せ替える。基板４１がサセプタ２２上に載せられた後は、上記の穴は基板４１自身により塞がれる。
【００３１】
さらに、成膜室１５には、基板４１上に選択成長する膜の原料を含む原料ガスおよび該選択成長する膜にドーピングされる元素を含むドーピングガスといった成膜ガスを導入するためのガス導入部２８が設けられている。成膜ガスとしては、酸化膜パターン付基板４１の上に様々な材料のＩｎ−ｓｉｔｕドープエピタキシャル膜を成長させるために、基板４１上に選択成長する膜の原料となる、半導体元素を含む原料ガス（ＳｉＨ4、Ｓｉ2Ｈ6、ＧｅＨ4、ＳｉＨ3ＣＨ3等の１種又は混合ガス）、及び、ＰやＡｓなどのドーパントを含むドーピングガス（ＰＨ3、ＡｓＨ3等の１種又は混合ガス）ガスが導入可能である。また、エッチングガスとしては、Ｃｌ2ガスが導入可能である。本実施形態では、エッチングガスを原料ガス導入部２８から成膜室１５内に導入することができる。
【００３２】
これらの成膜ガスとエッチングガスをプロセスガスと呼ぶ。プロセスガスは、ガスボンベユニット４０からガスごとに別々のガスラインを通じてガス供給ユニット３０にそれぞれ供給される。そして、プロセスガスは、ガス供給ユニット３０でガス流量がコントロールされた後、ガス導入部２８を通じてチャンバ２１内の基板４１が設置されている成膜空間に供給される。
【００３３】
ガス供給ユニット３０は、図３に示すように、原子層薄膜制御を実現可能なガスバルブ流量制御系であって、複数のガスバルブを備えており、これらのバルブを瞬時に切り替えることができる。このガスバルブ流量制御系３０は、成膜ガス供給系３６とエッチングガス供給系３７とを備えている。図３の例では、成膜ガス供給系３６には、原料ガス導入系としてのＳｉ2Ｈ6、ＳｉＨ3ＣＨ3、ドーピングガス供給系としてのＰＨ3、及び、希釈ガス供給系としてのＡｒの供給系が接続され、夫々の供給系について瞬時に所定量の供給のＯＮ／ＯＦＦを切り替え可能に構成されている。また、エッチングガス供給系３７には、Ｃｌ２の供給系が接続され、瞬時に所定量の供給のＯＮ／ＯＦＦを切り替え可能に構成されている。
【００３４】
具体的には、これらの供給系は、ガスの供給源から所定流量のガスをガス導入部２８に供給可能な供給ラインＬ28を有する共に、排気手段としてのドライポンプＤＰに接続し、供給ラインＬ28中のガスを排気可能な排気用ラインＬＤＰを有する。供給ラインＬ28には、ガスの流量を調整可能なマスフローコントローラＭＦＣが介装されると共に、マスフローコントローラＭＦＣの下流側には所定のガス供給タイミングで開閉可能なバルブＶ3が介装され、所定流量に調整されたガスを所定時間供給可能である。排気用ラインＬDPは、マスフローコントローラＭＦＣとこのバルブＶ3との間に接続され、バルブＶ3をＯＦＦにしてからＯＮにするまでの間に供給ラインＬ28に溜まるガスを排気することで、ガス導入部２８に所定時間、所定流量に厳密にコントロールした状態でガスを供給することが可能である。
【００３５】
具体的には、所定のガス供給タイミングよりも少し前にマスフローコントローラＭＦＣの上流側のバルブＶ2を開き、マスフローコントローラＭＦＣを動作させる。このとき、供給ラインＬ28のバルブＶ3は閉じ、排気用ラインＬＤＰのバルブＶ4は開いておき、立ち上がりから供給量が安定するまでの間、マスフローコントローラＭＦＣから出力するガスを排気用ラインＬDPに逃がす。その後、所定のガス供給タイミングで、排気用ラインＬDPのバルブＶ4を閉じ、供給ラインＬ28のバルブＶ3を開き、所定流量に調整されたガスをガス導入部２８に供給する。所定時間経過後、供給ラインＬ28のバルブＶ3を閉じることでガス導入部２８へのガスの供給を遮断し、バルブＶ4を開くことでマスフローコントローラＭＦＣから出力されるガスは、上述したように所定のガス供給タイミングになるまでの間、排気用ラインＬDPに排気される。
【００３６】
これらバルブＶ2〜Ｖ4は、本実施形態ではダイアフラム型バルブで構成され、後述する制御装置４２（図２参照）からの指示信号の入力に基づき高速に供給制御された電磁操作弁からの高圧空気により開閉される。本実施の形態において、このバルブＶ2〜Ｖ4は制御装置４２による制御信号に対して高速に動作し、０．１秒以下で開閉動作を行なうことができる。また、図中、符号Ｖ1は装置の使用時に手動操作されるバルブ、Ｖ5はマスフローコントローラＭＦＣへのガス供給圧力が高圧になり過ぎないようにするための減圧弁である。
【００３７】
また、この熱ＣＶＤ装置には、基板温度、ガス流量、圧力、待機時間、排気などの装置全体の動作を瞬時に切り替え、原子層薄膜制御を実現するためのシーケンスを制御可能な制御装置４２が備えられている。この制御装置４２には、制御プログラムを格納する記憶装置４４、プロセス制御の演算処理を行う演算処理装置４３、及び各種の設定入力を行う入力装置４５が備えられている。
【００３８】
制御装置４２には、例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）やマイクロコンピュータ等が使用できる。記憶装置４４は、例えば、予め制御プログラムやパラメータ等を格納しておくＲＯＭ、作業領域として一時的にプログラムやデータを展開するＲＡＭ、制御プログラムや処理データ等を保存するためのハードディスク（ＨＤＤ）等からなる。演算処理装置４３はＣＰＵであり、プログラムにしたがって上記各部の制御や各種の演算処理等を行う。入力装置４５は、例えば、各種の制御内容の数値設定等の入力を行い、または動作開始や停止の指示を行うための操作キー等を含み、入力装置４５として、例えば、キーボード、タッチパネル、マウス等の汎用の入力媒体を使用できる。
【００３９】
上記制御装置４２は、チャンバ内に原料ガスとしてのＳｉ含有ガスとドーピングガスとを含む第一の成膜ガスを導入して誘電体が形成された基板４１の処理面を曝露し、基板の単結晶表面（選択成長させる面）に第一の薄膜を形成すると共に、誘電体表面に膜が形成される前に第一の成膜ガスの供給を停止する（第一の成膜工程）。次に、チャンバ内に原料ガスとしてのＳｉ含有ガスとドーピングガスを含む第二の成膜ガスを導入して基板４１の処理面を曝露し、基板の単結晶表面に第二の薄膜を形成すると共に、誘電体表面に膜が形成される前に第二の成膜ガスの供給を停止する（第二の成膜工程）。そして、基板４１の処理面をエッチングガスとしての塩素含有ガスに曝露してエッチングする（エッチング工程）ようにエピタキシャル膜の選択成長装置を制御装置４２によりシーケンス制御する。この制御装置４２は、所望の膜厚のエピタキシャル膜を成長させるため、上記一連の操作を複数回連続してシーケンス制御する。
【００４０】
即ち、本実施形態の選択成長装置は、加熱制御系２３及びガスバルブ流量制御系３０を備え、さらに装置全体の動作を制御可能なシーケンス制御装置４２を備えている。これにより、低濃度から高濃度までのＩｎ−ｓｉｔｕドーピングエピタキシャル膜を原子層オーダで制御できる選択成長技術を実現することができる。
【００４１】
次に、上記の熱ＣＶＤ装置（エピタキシャル膜の選択成長装置）を用いて実施する本発明の一実施形態に係るＩｎ−ｓｉｔｕドープエピタキシャル膜の選択成長方法につい説明する。図４は、本発明の一実施形態に係るＩｎ−ｓｉｔｕドープエピタキシャル膜の選択成長方法を示すフローチャートである。
【００４２】
図４に示すように、単結晶表面と誘電体表面を有する基板４１を熱ＣＶＤ装置のチャンバ２１内に搬入し、サセプタ２２へ載置する（ステップ１；以下、「Ｓ１」のように表記する）。ここで単結晶とは、例えば、単結晶シリコン（Ｓｉ（１００））などである。誘電体とは、例えば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などである。そして、ヒータ２３を制御して、次の成膜工程を行なう温度まで、予め基板温度を上昇させる。
【００４３】
次に、図４に示すように、第一の成膜工程を行なう（Ｓ２）。この成膜工程では、ドーパント（例えばリン（Ｐ））が高濃度にドープされたＳｉ含有膜（第一の薄膜）を成膜する。ここで高濃度とは、ドーパント含有濃度、例えばＰの濃度が５×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3を超える膜である。この成膜工程では、原料ガスとしてＳｉ含有ガス、例えばＳｉＨ4、Ｓｉ2Ｈ6、Ｓｉ3Ｈ8、ＳｉＨ3ＣＨ3などを適宜供給する。これと同時に、ドーピングガスとしてＰ含有ガス、例えばＰＨ3を第一の流量比率で供給する。このとき、基板４１の温度をＳｉ含有ガスの熱分解温度より高く、かつデバイスの許容する温度より低く適宜設定しておくと、単結晶表面にＰがＩｎ−ｓｉｔｕドーピングされたＳｉ含有膜がエピタキシャル成長する。
【００４４】
このとき、誘電体表面、即ちシリコン酸化膜表面やシリコン窒化膜表面への膜の形成の開始は、Ｓｉなどの単結晶表面よりも遅くなる。Ｓｉなどの単結晶表面には膜がエピタキシャル成長し、シリコン酸化膜表面やシリコン窒化膜などの誘電体表面にはまだ膜が形成されないときに、この第一の成膜工程を終了する。なお、Ｓｉ含有膜にゲルマニウム（Ｇｅ）を添加してもよく、この場合には原料ガスとしてＳｉ含有ガスと共にＧｅ含有ガス、例えばＧｅＨ4ガスを添加する。
【００４５】
次に、図４において、第二の成膜工程を行なう（Ｓ３）。この成膜工程では、上記第一の薄膜よりも低濃度にＰドープされたＳｉ含有膜（第二の薄膜）を成膜する。ここで低濃度とは、Ｐが１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下である膜である。第二の成膜工程では、第一の成膜工程と同様に、Ｓｉ含有ガスを供給するが、同時に供給するドーピングガスの供給量を第二の流量比率として少なくすることで、ドーピング濃度を適宜調整して１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下とする。このとき、ドーピングガスの供給は全くなくてもよい。この工程でも、Ｓｉなどの単結晶表面、すなわち第一の成膜工程で堆積されたエピタキシャル成長したＳｉ含有膜の表面には膜がエピタキシャル成長し、シリコン酸化膜表面やシリコン窒化膜などの誘電体表面に膜が形成される前に、この第二の成膜工程を終了する。なお、Ｓｉ含有膜にＧｅを添加してもよく、この場合には原料ガスとしてＳｉ含有ガスとともにＧｅ含有ガス、例えばＧｅＨ4ガスを添加する。第二の流量比率は第一の流量比率より少なく、意図的にドーピングガスの供給を行わずにゼロとすることもできる。
【００４６】
次に、図４において、エッチング工程を行なう（Ｓ４）。このエッチング工程では、シリコン酸化膜表面やシリコン窒化膜などの誘電体表面に形成された核や核形成以前の段階の堆積物や付着物、即ち膜になる前の堆積物や付着物を除去する。エッチングガスとしては塩素含有ガス、例えばＣｌ2などを使用する。シリコン含有膜よりも、膜になる前の核や核形成以前の状態は安定性が低く、より低い温度でエッチングされる。したがって、単結晶表面にエピタキシャル成長した膜を殆どエッチングすることなく、シリコン酸化膜表面やシリコン窒化膜などの誘電体表面をクリーニングすることができる。
【００４７】
なお、誘電体表面に膜が形成された状態でエッチングを行っても本発明の効果を得ることはできる。しかしながら、以下のことから、誘電体表面に膜が形成される前にエッチングを行うと、単結晶表面への単結晶膜（エピタキシャル膜）の選択成長の効率が良く、かつ、表面荒れも抑えることができるので、誘電体表面に膜が形成される前にエッチングを行うことが好ましい。
【００４８】
これは、膜が形成される前の核形成以前の状態では、膜となったあとよりも安定性が低くてエッチングが容易だからである。例えば、膜が形成される前の状態は、膜の状態よりも低い温度でエッチング除去できるなどの利点があり、エッチングの間、単結晶表面に形成された膜の方はあまりエッチングせずに、誘電体表面における膜が形成されるより前の状態の材料（核となった材料および／または核形成前の材料）を選択的に除去できる。より詳しくは、誘電体表面に形成された膜と単結晶表面に形成されたエピタキシャル膜は、ともに同じような組成のＳｉ含有膜であるから、結晶性などに起因する若干の膜質の違いがあったとしてもそのエッチングに対する安定性の違いは（膜になっているかなってないかに比べて）比較的小さいと推測される。もしも誘電体表面に膜が形成されてからこれをエッチング除去しようとすれば、単結晶表面に堆積したエピタキシャル膜もかなりエッチングされる（結果として選択成長の効率が悪い。エピタキシャル膜の表面も荒れてしまう）。しかし誘電体表面に膜になる以前の状態（特に核発生以前の状態）で成膜を止めてエッチングをすれば、既に単結晶表面に形成されたエピタキシャル膜をあまりエッチングすることなく誘電体表面に発生している核のみを容易にエッチングすることができ、これを繰り返せば所望の膜厚の選択エピタキシャル成長ができる。
【００４９】
以上、図４に示す方法で製造した結果、シリコンなどの単結晶表面にはシリコン含有膜がエピタキシャル成長し、シリコン酸化膜表面やシリコン窒化膜などの誘電体表面には成膜されない状態、ないしは誘電体表面への成膜が低減した状態で、シリコン含有膜のエピタキシャル膜の選択成長が行なえる。
【００５０】
また、以上の図４のＳ１〜Ｓ４の１サイクルの工程で、所望の膜厚より薄いエピタキシャル成長膜しか得られないときには、さらにＳ２〜Ｓ４の工程を所望の膜厚を得るまで繰り返す。即ち、第一の成膜工程、第二の成膜工程及びエッチング工程を繰り返すことより、所望の膜厚のＩｎ−Ｓｉｔｕドープされたエピタキシャル膜の選択成長が可能となる。
【００５１】
各成膜の工程における、原料ガスとしてのシリコン含有ガスとドーピングガスとの導入時のチャンバ内の圧力（プロセス圧力）は適宜選択されるが、ドープされたエピタキシャル膜が成長する領域としての単結晶表面のパターン開口面積への成長速度の依存が少ない成長を行うためには、プロセス圧力を１０Ｐａ未満の低圧力で実行することが望ましい。図５に、圧力を１Ｐａとした場合の成長速度のパターン開口面積依存性を示す。図５は単結晶表面のパターン開口面積が１ｍｍ四方（１ｍｍ２）の場合で規格化したドープされたエピタキシャル膜の成長速度のパターン開口面積依存性である。１Ｐａの低圧力でＩｎ−ｓｉｔｕドープエピタキシャル成長を行った場合は、１ｍｍ四方（１ｍｍ２）の成長速度を１として規格化した場合に、パターン開口面積を０．８ｍｍ２、０．４ｍｍ２、０．１４ｍｍ２、０．１ｍｍ２、０．０６ｍｍ２としても成長速度の変化量は、０．５％以下である。プロセス圧力の下限の程度は特に定めないが、あえて定める場合には実用的な成膜速度の観点から０．０１Ｐａ以上が望ましい。つまり、プロセス圧力は、０．０１Ｐａ以上１０Ｐａ未満が望ましい。なお、カーボン濃度及びドープ濃度はガス供給ユニット３０により流量制御できる。
【００５２】
このように、プロセス圧力を１０Ｐａ未満、好ましくは０．０１Ｐａ以上１０Ｐａ未満とすることにより、基板４１表面に形成される、選択成長により膜を形成すべき面である単結晶表面が暴露している領域の大きさ（単結晶表面のパターン開口面積）を変化させても、成長速度のバラツキを低減することができる。
【００５３】
図６及び図７を参照して、本発明の一実施形態に係る選択成長方法を用いて各Ｉｎ−ｓｉｔｕドープエピタキシャル膜を選択成長した場合のガス流量比とカーボン濃度及びＰドープ濃度の関係を説明する。図６は、本発明の一実施形態に係る選択成長方法を用いた場合であって、原料ガスとしてＳｉ2Ｈ6とＳｉＨ3ＣＨ3との混合ガスを用いた場合の各エピタキシャル膜の総供給ガス流量（供給するＳｉ2Ｈ6とＳｉＨ3ＣＨ3の合計流量）に対するＳｉＨ3ＣＨ3ガス流量比とカーボン濃度との関係を示す説明図である。図７は、本発明の一実施形態に係る選択成長方法を用いた場合であって、原料ガスとしてＳｉ2Ｈ6とＳｉＨ3ＣＨ3との混合ガスを用い、かつドーピングガスとしてＰＨ3を用いた場合の各エピタキシャル膜の総供給ガス流量（供給するＳｉ2Ｈ6、ＳｉＨ3ＣＨ3およびＰＨ3の合計流量）に対するＰＨ3ガスの流量比とＰ濃度との関係を示す説明図である。
【００５４】
図６及び図７に示すように、本発明の一実施形態に係る熱ＣＶＤ装置を用いて各種ガスを供給してガス流量比のみを制御することにより、カーボン濃度及びＰドープ濃度を制御できることが分かる。また、比抵抗と二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ；Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ−ｍｉｃｒｏｐｒｏｂｅ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）によるドープ濃度測定の結果から、活性化率は１００％であった。これは、本発明の一実施形態に係る熱ＣＶＤ装置で成膜した場合、導入ガスの熱分解反応が支配的であるためと考えられる。従って、本発明の一実施形態によれば、従来のようにイオン注入後の活性化アニールを必要とせず、活性化アニール温度よりも低温で所望のドープ濃度のエピタキシャル膜を形成できる。
【００５５】
表１は、本発明の一実施形態に係る方法を用いて各Ｉｎ−ｓｉｔｕドープエピタキシャル膜を選択成長した場合の表面粗れとＰドープ濃度との関係を示す表である。表１に示すように、Ｐドープ濃度１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下の場合に、表面平坦性が著しく向上する。すなわち表１において、Ｐドープ濃度５×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上の時にＳＥＭ表面に表面粗れが見られているが、Ｐドープ濃度１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の時には、表面粗れが確認されなかった。つまりＰドープ濃度１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下の場合に表面粗れの低減効果は非常に向上する。従って、表面平坦性を向上させるためには、第二の薄膜のドープ濃度は１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であることが望ましい。
【００５６】
【表１】
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【００５７】
また、表面粗さが小さいドープ濃度１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下を第二の薄膜とした場合の、本発明の一実施形態に係る選択成長方法における表面粗さと第二の薄膜の厚さとの関係を調査した結果、第二の薄膜が０ｎｍすなわち第二の薄膜がない場合には、表面粗れが確認されたが、第二の薄膜の厚みが０．５ｎｍの時には表面粗れが確認されなかった。第二の薄膜の１原子層はおよそ０．５ｎｍ程度であると推定されるので、表面粗さに改善が見られていることは、第二の薄膜が第一の薄膜を被覆することにより、表面粗さが改善できているということを示唆している。
【００５８】
つまり実質的に第二の薄膜が１原子層以上、少なくとも第一の薄膜に付着すれば、表面粗さが改善されたことが示唆されている。従って、第二の成膜工程にて形成される第二の薄膜の膜厚は１原子層以上であればよい。
【００５９】
なお、第二の成膜工程で成長させる膜厚の上限値については、膜の平坦性を良好に保つ観点からは特に存在しない。また、スループット等の観点から第二の薄膜はなるべく薄く形成することが望ましい。またあまり厚いと、膜厚方向に均一なドープ濃度の膜が得られなくなる。ただしこの許容値について議論することはあまり実際的ではなく、ソース・ドレイン部の電気的特性に対して問題があるかどうかで決められるべきものである。一例として、この成膜をソース・ドレイン部の選択成長に用いてＭＯＳＦＥＴを形成したあとソース・ドレイン部にコンタクトホール形成ののち電極形成してその電気的特性をチェックしたところ、第一の薄膜の厚みが１ｎｍかつドープ濃度１×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3で、第二の薄膜がドープ濃度１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3のとき、第二の薄膜が少なくとも２ｎｍ以下では電気的特性について問題がないことを確認した。
【００６０】
以上説明したように、本実施形態の選択成長方法及び装置によれば、Ｐ等を高濃度ドープした第一の薄膜の形成後にＰ等を低濃度ドープして成長した第二の薄膜を形成し、その後Ｃｌ2を照射してエッチングを行う。これにより、従来のＩｎ−ｓｉｔｕドープエピタキシャル膜の選択成長と比較して表面粗さを改善することができる。これは、高濃度にＰ等がドープされたエピタキシャル膜はＣｌ2によってエッチングされるが、低濃度にＰ等がドープされたエピタキシャル膜を表面とすることにより、Ｃｌ2によるエッチングが抑制されたためであると考えられる。
【００６１】
即ち、高濃度のＰ等をＩｎ−ｓｉｔｕでドープした層にＣｌ2が曝されるとエッチングが起って表面平坦性が劣化するため、Ｃｌ2に曝される前にＰ等を低濃度にＩｎ−ｓｉｔｕドープしたキャップ層を形成し、その後Ｃｌ2を照射する交互照射法を用いる。
【００６２】
また、従来のＩｎ−ｓｉｔｕドープエピタキシャル膜の選択成長と比較して効率の良い選択成長が行なえるため、選択成長工程の時間を短縮でき、生産性を向上させることができる。
【００６３】
さらに、本発明の一実施形態に係るＩｎ−ｓｉｔｕドープエピタキシャル膜は、導入されたガスの熱分解反応による成長であるため、エピタキシャル膜の成長中にドーパントが活性化されるので、活性化アニール工程が不要となり、従来のイオン注入が必要な方式よりも大幅に生産性を向上することができる。そして、活性化アニールが不要であるため、ドーパントの拡散などの問題も解消され、極薄膜のソース／ドレイン層の形成が可能である。
【００６４】
このように、本発明の一実施形態によれば、高濃度にＰ等がドーピングされた第一の薄膜上に該第一の薄膜よりも低濃度にＰ等がドーピングされた第二の薄膜を形成した状態で、エッチングガスによるエッチングを行っている。上述の、第一の薄膜よりも低濃度ドーピングの第二の薄膜は、第一の薄膜よりも上記エッチングガスによるエッチングを受けにくい。従って、第二の薄膜がエッチングガスのエッチングに対する第一の薄膜の保護膜として機能することになり、実質的に、第二の薄膜を第一の薄膜のマスクとして、選択エッチングを行うことができる。よって、原料ガスとドーピングガスとを同時に供給して選択成長させるＩｎ−ｓｉｔｕドープ選択成長を用いてＰ等を高濃度にドーピングしても、単結晶表面上に選択成長させたエピタキシャル膜の表面の平坦性の劣化を低減させることができ、高濃度にＰ等がドーピングされ、かつ表面平坦性の劣化を低減したエピタキシャル膜を形成することができる。
【００６５】
ここで、上記第二の薄膜は第一の薄膜と同一のドーピングがなされた同一の材料であり、上述のように第二の薄膜の膜厚等をユーザの許容値に従って適宜設定すれば電気的特性上特に問題は無いので、上記エッチングに対するマスクとしての第二の薄膜を除去する必要も無い。何故ならば、第二の薄膜は、エッチングに対するマスクとして機能すると共に、形成すべきエピタキシャル膜の一部としても機能することができるからである。よって、選択エッチングのための、エピタキシャル膜に対するマスクを別途に設けなくても、基板４１上の誘電体の選択エッチングを行うことができる。
【００６６】
すなわち、本発明では、Ｐ等が高濃度ドーピングされた第一の薄膜を形成し、該第一の薄膜上に第一の薄膜よりも低濃度にＰ等がドーピングされた第二の薄膜を形成してから、エッチングガスによるエッチングを行うことで、結果的に、Ｐ等がドーピングされたエピタキシャル膜の選択成長と、該エピタキシャル膜の平坦性を確保しつつ誘電体上に形成された堆積物を除去するという選択エッチングとを同時に行うことができる。
【００６７】
なお、上述の説明では、Ｐをドープする場合において平坦性の劣化を抑制する基準の一例として、第二の薄膜へのＰのドープ濃度が１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下であることを例示しているが、第二の薄膜に対するＰの低濃度ドーピングを上記数値以下に設定することが本質では無い。“第二の薄膜へのＰのドープ濃度を１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下にする”ということは一基準であって、本発明では、表１に示すように、ドーピング濃度を小さくするとエッチングガスによるエッチングにより表面粗れが無くなる、ないしは低減されることに着目し、高濃度ドーピング時よりもエッチングによるエッチングが少なくとも低減されるドーピング濃度にて第二の薄膜を形成することが本質である。従って、第二の薄膜に対するエッチングガスによるエッチングが、所望の高濃度ドーピング時よりも低減されていれば良く、そのために、該所望の高濃度のドーピング濃度よりも低い所定のドーピング濃度で第二の薄膜を形成すれば良いのである。
【００６８】
よって、Ａｓ等のＰ以外のドーピングを行う場合であっても、第二の薄膜へのドーピング濃度を第一の薄膜へのドーピング濃度よりも低くし、エッチングガスによるエッチングが低減されれば本発明を適用することができる。
【００６９】
以下、本発明に係るＩｎ−Ｓｉｔｕドープエピタキシャル膜の選択成長方法の実施例及び比較例を挙げて、本発明をさらに詳しく説明する。
【００７０】
〔実施例〕
本実施例では、本発明の一実施形態に係る選択成長方法を用いて、高濃度ＰドープＳｉＣを作製したした場合について説明する。
【００７１】
図１から図３に示した構成の本発明の一実施形態に係る選択成長装置（熱ＣＶＤ装置）を用い、基板４１としては、８インチＳｉ（１００）板の表面に１００ｎｍの酸化膜（誘電体）がパターンニングされた基板を用いた。
【００７２】
本実施例では、まず、基板４１を成膜室１５に搬入し準備するまでについて説明し、次いでエピタキシャル膜の選択成長を行なう方法について説明する。
【００７３】
まず、基板を成膜室に搬入し準備するまでについて説明する。
【００７４】
酸化膜パターン付基板４１の露出したＳｉ最表面には、大気中の酸素や水分などによる自然酸化膜、あるいは金属成分や有機物成分が付着しているので、これを除去するために塩酸過酸化水混合液やアンモニア過酸化水素水等で洗浄処理する。このため、一般的にＳｉ層の表面上には２ｎｍ程度のシリコン酸化膜（ＳｉＯ2膜）が形成される。このシリコン酸化膜は、希釈フッ化水素酸水溶液中にて予めエッチング除去しておく。この希釈フッ化水素酸水溶液で処理されたＳｉ層の表面は水素（Ｈ）によって終端される。
【００７５】
上記酸化膜パターン付基板４１は、前述のように交換室１１および搬送室１４を経由して成膜室１５のサセプタ２２の上に搭載される。成膜室１５の内部は例えば５×１０-7Ｐａの超高真空まで排気される。成膜室１５において、サセプタ２２上に設置された酸化膜パターン付基板４１は、さらにヒータ２３によってＳｉ含有ガスの熱分解温度以上である６００℃程度に加熱昇温される。
【００７６】
次に、基板表面に露出したＳｉの上にＰドープＳｉＣエピタキシャル膜を選択成長させる方法について説明する。図８は、本実施例に係る選択成長方法の説明図である。
【００７７】
本実施例では、まず、図８の工程８１のように、先に述べた予め６００℃に加熱された基板４１上に、原料ガスとしてのＳｉ2Ｈ6およびＳｉＨ3ＣＨ3、ならびにドーピングガスとしてのＰＨ3を成膜室１５に同時供給して成膜室圧力０．１Ｐａとし、高濃度にＰドープされたエピタキシャルＳｉＣ膜（第一の薄膜）を成長した。基板４１上に形成された誘電体としてのＳｉＯ2上に膜が形成されるよりも充分前に、図８の工程８２のようにＰの濃度が１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下の低濃度となるようＰＨ3ガスの供給を停止し、Ｓｉ2Ｈ6ガスおよびＳｉＨ3ＣＨ3ガスについては供給を続けながら引き続き成膜室圧力０．１Ｐａとし、低濃度にＰドープされたエピタキシャルＳｉＣ膜（第二の薄膜）を成長した。基板４１上に形成された誘電体としてのＳｉＯ2上に膜が形成されるよりも前の核発生までの段階で、Ｓｉ2Ｈ6ガスおよびＳｉＨ3ＣＨ3ガスの供給を止め、成膜を停止した。その後、図８の工程８３のようにエッチングガスとしてのＣｌ2ガスを供給し、ＳｉＯ2上に形成される核を除去した。
【００７８】
その後、さらに図８の工程８１〜工程８３を４９回繰り返し、約１００ｎｍの膜厚まで成膜させた。
【００７９】
図９は、本実施例における各導入ガス（Ｓｉ2Ｈ6、ＳｉＨ3ＣＨ3、ＰＨ3、Ｃｌ2）のタイムチャートの一部を示す説明図である。横軸は時間であり、縦軸は各導入ガスの導入流量（相対値）である。
【００８０】
図９に示すように、基板温度が６００℃に達した後、時間Ｔ１にて原料ガスであるＳｉ2Ｈ6およびＳｉＨ3ＣＨ3、ならびにドーピングガスであるＰＨ3を導入開始した。次に、時間Ｔ２においてＰＨ3の供給を止めた。次に、時間Ｔ３においてＳｉ2Ｈ6、ＳｉＨ3ＣＨ3の供給を止め、エッチングガスであるＣｌ2を導入開始した。次に、時間Ｔ４においてＣｌ2の供給を止めた。さらにＴ４において、Ｓｉ2Ｈ6、ＳｉＨ3ＣＨ3、ＰＨ3を導入開始することで再び成膜を開始し、以下これを繰り返した。すなわち、Ｔ１とＴ２との間が第一の成膜工程となり、Ｔ２とＴ３との間が第二の成膜工程となり、Ｔ３とＴ４との間がエッチング工程となる。
【００８１】
なお、導入ガスのタイムチャートは、これに限定されるものではなく、例えば、Ｔ２においてドーピングガスＰＨ3の供給は完全に停止しなくてもよく、減量するだけでもよい。この場合Ｔ２からＴ３までの間のＰＨ３の供給量は、その間に堆積される膜のＰドーピング量が１×１０19ｃｍ3以下となるように減量する必要があり、Ｔ３においてＳｉ2Ｈ6、ＳｉＨ3ＣＨ3とともにＰＨ3の供給も停止する必要がある。また例えば、第一の薄膜層を形成する第一の成膜工程と第二の薄膜層を形成する第二の成膜工程との間にガスを供給しない時間を設けても構わない。また第二の成膜工程と塩素を含有するエッチングガスを導入するエッチング工程との間に、ガスを供給しない時間を設けても構わない。ここで、このようなガスを供給しない時間を排気時間と呼ぶこととする。コンタミネーションの観点からは、排気時間を設けたほうが良い場合もあるが、反面で１サイクルのプロセス時間が長くなるので、排気時間を入れるかどうか、入れるとしたらどのくらいの時間にするかは要求される膜と装置の設計事項に基づいて決定されるべきである。
【００８２】
以上によりエピタキシャル選択成長したＰドープＳｉＣ膜の断面および表面の走査型電子顕微鏡による観察結果の写真を図１０Ａ，１０Ｂに示す。図１０Ａは上記断面のＳＥＭ写真を示す図であり、図１０Ｂは上記表面のＳＥＭ写真を示す図である。図１０Ａ、１０Ｂに示すように、表面粗れが発生していないことが分かる。これは、低濃度のＰドーピング層形成工程（第二の成膜工程）を塩素ガスの照射工程（エッチング工程）の前に挿入することにより、表面のＰ原子の存在が少なくなり、選択的なＰのエッチングが抑制され、表面粗れがなくなったと考えられる。
【００８３】
なお、ドーピングガスであるＰＨ3ガスは、プロセスに影響を与えないガスで希釈されたＰＨ3、具体的にはＨ2希釈されたＰＨ3を使用しても、ほぼ同じ結果が得られた。
【００８４】
〔比較例〕
本比較例では、上記実施例と同じ構成の熱ＣＶＤ装置、同じ方法で準備された基板上に、従来の選択成長方法で高濃度ＰドープＳｉＣを作製した場合を説明する。特に説明しない限り、本比較例では前述の実施例と同じ条件で処理を行なった。
【００８５】
図１１は、比較例の選択成長方法の説明図である。上記実施例と同じ方法で準備され、予め６００℃に加熱された基板に、原料ガスとしてのＳｉ2Ｈ6およびＳｉＨ3ＣＨ3、ならびにドーピングガスとしてのＰＨ3を成膜室１５に同時供給して成膜室圧力０．１Ｐａとし、図１１の工程１１１のように熱分解反応により高濃度にＰドープされたエピタキシャルＳｉＣ膜を成長した。ＳｉＯ2上に膜が形成されるよりも前の核発生までの段階で、Ｓｉ2Ｈ6、ＳｉＨ3ＣＨ3、ＰＨ3の供給を止めた。その後、図１１の工程１１２のように塩素ガスを供給し、ＳｉＯ2上に形成される核を除去した。上記工程１１１および工程１１２を９９回繰り返し、実施例と同じ約１００ｎｍの膜厚まで成膜させた。合計繰り返し回数が、実施例では５０回で済んでいるのに対し、本比較例では１００回も行なっている理由は、選択成長速度が遅かったためである。
【００８６】
本比較例において選択成長速度が遅くなる理由は、塩素に基板を曝露する工程（エッチング工程）で、ＳｉＯ2表面に発生した核が除去されるだけでなく、Ｓｉ露出面に堆積したＰドープＳｉＣ膜も相当量エッチングされてしまうからであると考えられる。このため、本比較例での成膜と塩素曝露の工程の１サイクルで堆積できるＰドープＳｉＣ膜の膜厚は、上記実施例の場合の約半分に過ぎず、上記実施例と同じだけの膜厚を得るために２倍ものサイクル回数を必要とした。従って、本比較例では、上記実施例と同じ膜厚のＰドープＳｉＣを選択成長させるために、実施例の約２倍もの時間がかかってしまった。
【００８７】
以上により選択成長を行った本比較例のＰドープＳｉＣの走査型電子顕微鏡による断面と表面の観察結果の写真をそれぞれ図１２Ａ、１２Ｂに示す。断面（図１２Ａ）及び表面（図１２Ｂ）の写真から分かるように、表面粗れが発生していた。このときのＰドープの濃度は１×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であった。この表面粗れの原因は、高濃度にＰがドーピングされている場合、Ｐ原子が表面に多く存在し、ＰとＳｉの結合エネルギーがＳｉ−Ｓｉ結合よりも小さく、Ｃｌ2により選択的にＰがエッチングされてしまうためと考えられる。
【図１】
2011078240.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１３Ｅ】
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【図１３Ｆ】
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【図１３Ｇ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１４Ｅ】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年7月8日(2011.7.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理面に単結晶表面と誘電体表面とをもつ予め加熱された基板の前記単結晶表面に、原料ガスおよびドーピングガスを供給し、ドーパントの含有濃度が５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を超えるドーパントがドープされた第一の薄膜をエピタキシャル成長により形成する第一の工程と、
前記誘電体表面に膜が形成される前に、ドーパントの含有濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の濃度となるように前記ドーピングガスを供給し、前記原料ガスおよび前記ドーピングガスを供給しながら、前記第一の薄膜の表面に、前記第一の薄膜より低い濃度で前記ドーパントがドープされた第二の薄膜をエピタキシャル成長により形成する第二の工程と、
前記誘電体表面に膜が形成される前に、前記原料ガスの供給を停止し、前記第二の薄膜をマスクとして、前記基板の処理面をエッチングガスに曝露して前記誘電体表面に付着した材料を除去するエッチング工程と
を有することを特徴とするドープエピタキシャル膜の選択成長方法。
【請求項２】
前記第一の工程は、前記基板の処理面を原料ガスと第一の流量比率のドーピングガスに曝露し、前記単結晶表面に前記第一の薄膜を形成し、
前記第二の工程は、前記基板の処理面を原料ガスと第二の流量比率のドーピングガスに曝露し、前記第一の薄膜の表面に前記第二の薄膜を形成することを特徴とする請求項１に記載のドープエピタキシャル膜の選択成長方法。
【請求項３】
前記第一の工程では、前記誘電体表面に膜が形成される前に前記第一の薄膜の形成を停止することを特徴とする請求項１に記載のドープエピタキシャル膜の選択成長方法。
【請求項４】
前記第二の流量比率は、前記第一の流量比率よりも少ないか、又はゼロであることを特徴とする、請求項１に記載のドープエピタキシャル膜の選択成長方法。
【請求項５】
前記第二の工程において、前記ドーピングガスの意図的な供給を行なわないことを特徴とする請求項２に記載のドープエピタキシャル膜の選択成長方法。
【請求項６】
前記単結晶がシリコン（Ｓｉ（１００））であり、前記誘電体がシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜であることを特徴とする請求項１に記載のドープエピタキシャル膜の選択成長方法。
【請求項７】
前記第一及び第二の薄膜を形成する原料ガスがＳｉ含有ガスであり、前記ドーパントがリン（Ｐ）であり、前記ドーピングガスがリン（Ｐ）含有ガスであることを特徴とする請求項２に記載のドープエピタキシャル膜の選択成長方法。
【請求項８】
（削除）
【請求項９】
前記第一の工程および前記第二の工程における前記原料ガスおよび前記ドーピングガスの導入時の前記基板が配置されるチャンバ内の圧力は、０．０１Ｐａ以上１０Ｐａ未満であることを特徴とする請求項２に記載のドープエピタキシャル膜の選択成長方法。
【請求項１０】
前記第一の工程、前記第二の工程、及び前記エッチング工程を一連の工程として複数回連続して行うことを特徴とする請求項１に記載のドープエピタキシャル膜の選択成長方法。
【請求項１１】
（削除）
【請求項１２】
（削除）
【請求項１３】
単結晶表面と誘電体表面とをもつ基板の前記単結晶表面に、ドーパントがドープされた第一の薄膜をエピタキシャル成長により形成する第一の工程と、
前記第一の薄膜の表面に、前記第一の薄膜より低い濃度で前記ドーパントがドープされた第二の薄膜をエピタキシャル成長により形成する第二の工程と、
前記単結晶表面上に形成された前記第一の薄膜と、該第一の薄膜上に形成された前記第二の薄膜とを有する前記基板にエッチングガスを供給して、前記第二の薄膜をマスクとして前記誘電体表面に付着した材料を除去するエッチング工程と
を有することを特徴とするドープエピタキシャル膜の選択成長方法。
【手続補正書】
【提出日】平成24年3月13日(2012.3.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理面に単結晶表面と誘電体表面とをもつ予め加熱された基板の前記単結晶表面に、ドーパントの含有濃度が５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を超えるドーパントがドープされるように、原料ガスおよびドーピングガスを供給しながら、第一の薄膜をエピタキシャル成長により形成する第一の工程と、
前記誘電体表面に膜が形成される前に、ドーパントの含有濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の濃度となるように前記ドーピングガスを供給し、前記原料ガスおよび前記ドーピングガスを供給しながら、前記第一の薄膜の表面に、前記第一の薄膜より低い濃度で前記ドーパントがドープされた第二の薄膜をエピタキシャル成長により形成する第二の工程と、
前記誘電体表面に膜が形成される前に、前記原料ガスの供給を停止し、前記第二の薄膜をマスクとして、前記基板の処理面をエッチングガスに曝露して前記誘電体表面に付着した材料を除去するエッチング工程と
を有することを特徴とするドープエピタキシャル膜の選択成長方法。
【請求項２】
前記第一の工程は、前記基板の処理面を原料ガスと第一の流量比率のドーピングガスに曝露し、前記単結晶表面に前記第一の薄膜を形成し、
前記第二の工程は、前記基板の処理面を原料ガスと第二の流量比率のドーピングガスに曝露し、前記第一の薄膜の表面に前記第二の薄膜を形成することを特徴とする請求項１に記載のドープエピタキシャル膜の選択成長方法。
【請求項３】
前記第一の工程では、前記誘電体表面に膜が形成される前に前記第一の薄膜の形成を停止することを特徴とする請求項１に記載のドープエピタキシャル膜の選択成長方法。
【請求項４】
前記第二の流量比率は、前記第一の流量比率よりも少ないか、又はゼロであることを特徴とする、請求項１に記載のドープエピタキシャル膜の選択成長方法。
【請求項５】
前記第二の工程において、前記ドーピングガスの供給を行なわないことを特徴とする請求項２に記載のドープエピタキシャル膜の選択成長方法。
【請求項６】
前記単結晶がシリコン（Ｓｉ（１００））であり、前記誘電体がシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜であることを特徴とする請求項１に記載のドープエピタキシャル膜の選択成長方法。
【請求項７】
前記第一及び第二の薄膜を形成する原料ガスがＳｉ含有ガスであり、前記ドーパントがリン（Ｐ）であり、前記ドーピングガスがリン（Ｐ）含有ガスであることを特徴とする請求項２に記載のドープエピタキシャル膜の選択成長方法。
【請求項８】
前記第一の工程および前記第二の工程における前記原料ガスおよび前記ドーピングガスの導入時の前記基板が配置されるチャンバ内の圧力は、０．０１Ｐａ以上１０Ｐａ未満であることを特徴とする請求項２に記載のドープエピタキシャル膜の選択成長方法。
【請求項９】
前記第一の工程、前記第二の工程、及び前記エッチング工程を一連の工程として複数回連続して行うことを特徴とする請求項１に記載のドープエピタキシャル膜の選択成長方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
本発明の一態様は、ドープエピタキシャル膜の選択成長方法であって、処理面に単結晶表面と誘電体表面とをもつ予め加熱された基板の前記単結晶表面に、ドーパントの含有濃度が５×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を超えるドーパントがドープされるように、原料ガスおよびドーピングガスを供給しながら、第一の薄膜をエピタキシャル成長により形成する第一の工程と、前記誘電体表面に膜が形成される前に、ドーパントの含有濃度が１×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の濃度となるように前記ドーピングガスを供給し、前記原料ガスおよび前記ドーピングガスを供給しながら、前記第一の薄膜の表面に、前記第一の薄膜より低い濃度で前記ドーパントがドープされた第二の薄膜をエピタキシャル成長により形成する第二の工程と、前記誘電体表面に膜が形成される前に、前記原料ガスの供給を停止し、前記第二の薄膜をマスクとして、前記基板の処理面をエッチングガスに曝露して前記誘電体表面に付着した材料を除去するエッチング工程とを有することを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】削除
【補正の内容】
【国際調査報告】
2011078240.tif 000030
2011078240.tif 000031